不对称U 形微带缝隙天线设计

申雪雪， 孙绪保， 邱厚童， 刘 华

（山东科技大学 电子学院通信系，山东 青岛266590）

0 引言

WIMAX 作为一项宽带无线接入技术（BWA），能够提供面向互联网的高速连接，可与电脑、手机等终端结合应用于城市安全、物流、交通等场合。随着该技术的广泛应用，其所在的3.5GHz频段天线也成了通信行业关注的热点。文献［1］在该频段分别采用在杯形贴片中央加载倒U 形槽以及加载交叉椭圆环的方式，得到了较高的增益（平均增益4.77dB），实现了对干扰信号的有效抑制；文献［2］在该频段通过加载SRR环，获得了较好的带阻特性；文献［3］在该频段通过合理的使用阶梯阻抗馈线，制作了一副串馈微带缝隙天线阵，实现了95°～130°的平方余割赋形波束设计，上半空间副瓣电平抑制到-19dB 以下［3］。

本文设计了一种可工作于该频段的微带缝隙天线。通过在地板上开不对称U 形槽来产生阻带效果［1］，缝隙截断表面电流，改变其分布，使电流路径变弯曲，增加了电流的有效路径以及对电磁场的引导能力，减小了天线尺寸，达到小型化的目的。并采用微带线馈电结构，在50Ω 微带线上添加不对称的U 形开路枝节，使电磁场可以无限延伸，扩展了带宽，便于匹配。

1 天线结构

天线结构如图1所示，其主体由接地板上刻蚀的不对称U 形缝隙和位于介质基片背面的馈电微带线组成。主臂是特性阻抗为50Ω 的微带线，侧臂是与缝隙同中心的不对称U 形开路微带线。介质基板厚度1.5 mm，采用介电常数为2.2的RT5880材料，尺寸为80mm×90mm。

图1 天线结构图

微带缝隙天线是在金属体表面开缝，缝隙截断了表面电流，使电流路径变长，从而达到小型化的目的。缝隙长度L 与天线介质的介电常数εr取值有关，缝长L 的近似值为

式中：λg为等效电磁波波长。

式中：λ0为自由空间的波长；εe为等效介电常数，其中λ0、εe可由式（3）、式（4）表示：

式中：c为自由空间的光速；f 为天线的谐振频率；h为介质层的厚度；W 为辐射贴片的宽度。

本文中天线的微带馈线与50Ω 传输线匹配，其馈线输入部分的宽度W3可由式（5）计算得出［5］。

其中：A、B分别为

天线结构如图1所示，其中W1为U 形馈线的宽度，W2为U 形槽辐射缝隙的宽度，W3为馈线输入部分的宽度，L4、L5分别为位于左右两侧窄缝的长度，缝隙中心与微带线中心重合。

调节接地板上两侧窄缝长度L4、L5，构成不对称U 形结构。这种不对称U 形槽的设计，实现了天线的小型化。在接地板尺寸相同的情况下，U 形缝隙相比矩形窄缝极大地增加了实际耦合面积，进而增大了天线辐射的电磁耦合量，展宽了天线的阻抗带宽，且该不对称U 形缝隙设计相对于同等长宽的U 形缝隙，各方面性能有所提升。

2 天线仿真与结果分析

在天线的设计过程中，采用了基于有限元法的高频仿真软件HFSS 对天线的各个主要参数进行仿真。

参数L4、L5对天线辐射特性的影响分别如图2、图3所示。

图2 天线反射系数随参数L4 变化

由图2可知，参数L4的大小对中心频率的影响较大。

图3 天线反射系数随参数L5 变化

由图3可知，参数L5的变化，对S11的影响较大。随着L5的变大，S11增大明显。通过仿真分析，得出在L4＝20mm，L5＝16.4mm 时，天线仿真的结果较为理想，阻抗匹配达到最佳状态。

经过对贴片尺寸参数的调节及优化调整，得到天线的基本参数：W0＝80 mm，W1＝2.2mm，W2＝9.8 mm，W3＝4.7 mm，W4＝42.7 mm，W5＝45.1mm，L0＝90mm，L1＝21.6mm，L2＝15.3 mm，L3＝10.8 mm，L4＝20 mm，L5＝16.4mm，L6＝14.8mm。

天线的反射系数曲线如图4所示，在中心频率3.50GHz处，天线的S11值达到-41dB。在所需频段内，天线回波损耗均低于-10dB。有效带宽为950 MHz（3.08GHz～4.03GHz），带宽较理想，符合设计要求。

图4 天线的反射系数

图5给出了天线轴比值随频率的变化曲线。由图5可知，在3.5GHz附近处轴比均在3dB以下。

图5 天线的轴比

图6、图7为在谐振频率上测得的Ψ＝0°面和Ψ＝90°面的方向图，图中增益为dB。

图6 Ψ＝0°，f＝3.5GHz时的方向图

图7 Ψ＝90°，f＝3.5GHz时的方向图

由图可知，在3.5GHz时，获得了较好的方向性和增益，满足使用要求。

3 小结

设计了一种新型微带缝隙天线，并利用仿真软件HFSS 对天线进行了仿真分析。在接地板上开槽，有效的减小了天线的面积。最终结果显示，天线在3.5GHz频段得到了很好的匹配。另外，天线体积较小，容易集成加工，适用于手机、电脑等终端。

［1］ 蔡得水.微带缝隙天线的研究与设计［D］.西安：西安电子科技大学，2012.

［2］ 陈长富.Ku波段高增益微带阵列天线研究与设计［D］.吉林：吉林大学，2013.

［3］ 马汉清.宽带与多频天线关键问题的研究［D］.西安：西安电子科技大学，2009.

［4］ 郎为民，焦巧，蔡理金，等.WIMAX 应用与发展［J］.电信快报，2009，（6）：15-18.

［5］ 章坚武，王锦璇，叶霓.工作于2.4 GHz／5.2GHz双频段微带缝隙天线的设计［J］.电视技术，2011，35（11）：43-46.

［6］ 张俊文，钟顺时.V 形微带缝隙天线［J］.微波学报，2007，23（2）：44-46.

［7］ W，S，Chen，C，K，Wu，K，L，Wong.Novel Compact Circularly Polarized Square Microstrip Antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49（3）：340-342.

［8］ 薛睿峰，钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展［J］.电波科学学报，2002，17（4）：331-336.

［9］ 孙绪保.微波技术与天线［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［10］ 钟顺时.微带天线理论与应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1991.